電流密度對硫酸鹽鍍鋅層性能的影響

邢樂紅*，黎德育李寧崔術(shù)新

（1.牡丹江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157012；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

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電流密度對硫酸鹽鍍鋅層性能的影響

邢樂紅1，2，*，黎德育2，李寧2，崔術(shù)新1

（1.牡丹江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157012；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

采用由90 g/L Zn2+和6 g/L濃硫酸組成的鍍鋅液，在電流密度3 ～ 9 A/dm2和溫度50 °C的條件下電鍍鋅475 s。分析了電流密度對鍍鋅層表觀質(zhì)量（明度）、微觀形貌和耐蝕性的影響。結(jié)果表明，隨電流密度增大，鍍鋅層的表觀質(zhì)量、微觀形貌和耐蝕性均先改善后變差。當(dāng)電流密度為4 A/dm2時，鍍鋅層的厚度為10 μm，綜合性能最好。

低碳鋼；硫酸鹽鍍鋅；電流密度；明度；微觀形貌；耐蝕性

First-author's address: School of Chemistry and Chemical Engineering， Mudanjiang Normal University， Mudanjiang 157012， China

硫酸鹽鍍鋅具有成本低廉、耐蝕性好、機(jī)械性能好和可大電流快速施鍍等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于能源、建筑、汽車、家電等行業(yè)用鋼板的表面處理［1-4］。鋼板表面鍍鋅層的性能特別是鍍層的表觀質(zhì)量和耐蝕性直接影響鋼板的加工性能、涂漆效果和使用壽命［5-6］。電流密度是鍍鋅工藝中的重要參數(shù)之一，它對成本、生產(chǎn)效率和鍍層質(zhì)量的影響很大［7］。目前，對硫酸鹽鍍鋅的研究主要集中在鍍液組成的優(yōu)化及操作條件的調(diào)控上［8］，而電流密度對鍍層性能的影響尚未得到細(xì)致研究。本文系統(tǒng)地分析了電流密度對鍍層表觀質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)和耐蝕性的影響，獲得了表面潔白、細(xì)致、均勻的鍍鋅層。

1　實(shí)驗(yàn)

1. 1 工藝流程及基本工藝

除油（十二烷基磺酸鈉5 g/L，50 °C，20 min）→水洗→酸洗（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的稀硫酸）→水洗→電鍍。

選用10 cm × 5 cm的低碳鋼板作基體，在方形塑料鍍槽中電鍍，鍍液組成為：Zn2+（以ZnSO4·7H2O的形式加入）90 g/L，硫酸6 g/L。采用恒溫水浴控制鍍液溫度為50 °C，時間為475 s。

1. 2 性能檢測

1. 2. 1 明度

采用杭州輕通儀器有限公司生產(chǎn)的XND-1型明度測試儀測定鍍鋅層的明度，明度越大，則鍍層表觀質(zhì)量越好。每個試片在對角線上5個不同點(diǎn)進(jìn)行測定并取平均值。相同的工藝條件平行鍍3個試片，最后取3個試片的平均明度。

1. 2. 2 微觀形貌

采用日本日立S-4700型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鍍鋅層的微觀形貌。

1. 2. 3 耐蝕性

采用上海辰華的CHI660電化學(xué)工作站測定鍍鋅層（有效面積為1 cm2）的塔菲爾（Tafel）曲線，電解液為3.5%的NaCl溶液，輔助電極為1 cm × 1 cm的Pt片，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），掃描速率為10 mV/s。

2　結(jié)果與討論

2. 1 電流密度范圍的確定

采用267 mL赫爾槽，以10 cm × 10 cm的低碳鋼板為基體進(jìn)行赫爾槽試驗(yàn)，電流為1.9 A，溫度為50 °C，時間為475 s，結(jié)果見圖1。

圖1 赫爾槽試片鍍層外觀示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the appearance of zinc coating on Hull cell test coupon

從圖1可知，在離近端1.0 ～ 3.2 cm的距離范圍內(nèi)，鍍層的明度較高，按式（1）算得對應(yīng)電流密度范圍為4.66 ～ 9.69 A/dm2。因此，下文在3 ～ 9 A/dm2的電流密度范圍內(nèi)電鍍鋅，以研究電流密度對鍍鋅層性能的影響。

jk= I （5.10 - 5.24lg l） （1）

式中，jk為陰極上某點(diǎn)的電流密度（A/dm2），I為施鍍電流（A），l為離近端的距離（cm）。

2. 2 電流密度對鍍鋅層表觀質(zhì)量的影響

電流密度對鍍鋅層明度的影響如圖2所示。從圖2可知，隨電流密度增大，鍍層明度先增大后降低。電流密度為4 A/dm2時，鍍層的明度最高，表觀質(zhì)量最好。這是由于隨電流密度增大，陰極極化增強(qiáng)，有利于形成結(jié)晶細(xì)致的鍍層。但電流密度過高時，電化學(xué)反應(yīng)速率較快，電極附近的離子質(zhì)量傳遞成為控制步驟，濃差極化增強(qiáng)，有可能造成鍍鋅層結(jié)晶粗大。

圖2 電流密度對鍍鋅層明度的影響Figure 2 Effect of current density on luminosity of zinc coating

2. 3 電流密度對鍍鋅層微觀結(jié)構(gòu)的影響

不同電流密度下鍍鋅層的SEM照片如圖3所示。從圖3可知，隨電流密度增大，鍍層的晶粒先減小后增大。電流密度為4 A/dm2時，結(jié)晶最細(xì)小、致密。電流密度≥5 A/dm2時，鍍鋅層的晶粒呈現(xiàn)明顯的六邊形，結(jié)晶層的不規(guī)則程度加深。這主要是因?yàn)殡S電流密度增大，陰極的電化學(xué)極化增強(qiáng)，有利于形成細(xì)小的晶粒，得到致密的鍍層。電流密度過高時，濃差極化增強(qiáng)，使得結(jié)晶粗大。這也說明鍍層微觀結(jié)構(gòu)均勻、細(xì)致是表觀質(zhì)量改善的主要原因。

圖3 電流密度對鍍層微觀形貌的影響Figure 3 Effect of current density on microscopic morphology of zinc coating

2. 4 電流密度對鍍鋅層耐蝕性的影響

對不同電流密度下所得鍍鋅層進(jìn)行Tafel曲線測試以比較其耐蝕性，結(jié)果如圖4所示。對應(yīng)的腐蝕電位φcorr和腐蝕電流密度jcorr列于表1。由圖4及表1可知，當(dāng)電流密度為4 A/dm2時，鍍鋅層的腐蝕電位最正，腐蝕電流密度最小，因此耐蝕性最好。

圖4 不同電流密度下所得鍍鋅層在3.5% NaCl溶液中的Tafel曲線Figure 4 Tafel curves in 3.5% NaCl solution for zinc coatings obtained at different current densities

表1　不同電流密度下所得鍍層的電化學(xué)腐蝕參數(shù)Table 1 Electrochemical corrosion parameters of zinc coatings obtained at different current densities

綜上可知，采用本體系電鍍鋅層的最佳電流密度為4 A/dm2，在該電流密度下電鍍475 s可得厚度為10 μm的鍍鋅層。

3　結(jié)論

電流密度對鍍鋅層性能具有較大的影響，隨電流密度增大，鍍層的表觀質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)和耐蝕性均先改善后變差，較適宜的電流密度為4 A/dm2，在該電流密度下電鍍475 s可得厚度為10 μm的鍍鋅層。

［1］ 李寧， 黎德育， 何局化， 等. 硫酸鹽鍍鋅過程中金屬雜質(zhì)的影響［J］. 電鍍與環(huán)保， 2000， 20 （5）: 12-14.

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［3］ 陳濤， 郭瑞光. 硫化鈉對鍍鋅鋼表面鈰鹽轉(zhuǎn)化膜耐蝕性的影響［J］. 電鍍與涂飾， 2015， 34 （11）: 615-620.

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［7］ 朱曉東， 李寧， 黎德育， 等. 高速鍍鋅工藝對鍍層粗糙度及織構(gòu)的影響［J］. 電鍍與環(huán)保， 2004， 24 （4）: 14-16.

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［ 編輯：周新莉 ］

Effect of current density on properties of zinc coating electroplated from a sulfate bath

XING Le-hong*， LI De-yu，LI Ning， CUI Shu-xin

Zinc electroplating was carried out in a bath containing 90 g/L Zn2+and 6 g/L concentrated sulfuric acid under the following conditions: current density of 3-9 A/dm2， temperature 50 °C， and time 475 s. The effect of current density on the properties of zinc coating including apparent quality （luminosity）， microscopic morphology and corrosion resistance was analyzed. The results showed that the apparent quality， microscopic morphology and corrosion resistance of zinc coating are improved initially and then decreased with the increasing of current density. The zinc coating obtained at a current density of 4 A/dm2has a thickness of 10 μm and the best comprehensive performance.

mild steel； sulfate zinc electroplating； current density； luminosity； microscopic morphology； corrosion resistance

TQ153.15

A

1004 - 227X （2016） 08 - 0394 - 04

2016-03-08

2016-03-14

牡丹江師范學(xué)院博士科研啟動基金項目（MSB201208）；牡丹江師范學(xué)院國家級重點(diǎn)創(chuàng)新預(yù)研項目（GY201201）；黑龍江省青年科學(xué)基金項目（QC2014C009）；牡丹江市科學(xué)技術(shù)計劃項目（G2013f1407）。

邢樂紅（1983-），女，山東武城縣人，博士，講師，主要從事金屬表面處理及化學(xué)電源等方面的研究。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） xinglehonghit@126.com。